傳感器網絡中的節點能耗監測軟件設計與實現

方加娟++鹿艷晶++安鵬

摘 要： 為了有效延長節點工作壽命，設計一種新型的傳感器網絡節點能耗監測軟件。傳感器網絡節點能耗監測系統的硬件主要由FPGA和控制板組成，所設計的軟件將針對二者的工作流程進行控制。FPGA使用軟件給出的采集程序和節點能耗識別碼，進行傳感器網絡節點能耗數據的持續采集和模數轉換。被轉換成數字信號的節點能耗數據將被采集程序封裝并傳輸到控制板。控制板根據數據讀取流程對封裝數據進行重構，獲取完整的節點能耗數據并進行解析，給出節點能耗調節建議，實現對傳感器網絡節點能耗的監測。經實驗驗證可知，所設計的軟件監測距離較遠、傳感節點工作壽命延長性能頗佳。

關鍵詞： 傳感器網絡； 節點能耗監測； 軟件設計； 數據采集

中圖分類號： TN931+.3?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0053?03

Abstract： A new software for node energy consumption monitoring in sensor network was design for prolong the working life of the node. The hardware of the node energy consumption monitoring system for sensor network is mainly composed of FPGA and control board. The designed software controls the working process of both FPGA and control board. FPGA carries out continuous acquisition and analog?to?digital conversion of node energy consumption data in sensor network by means of the collection program and the node energy consumption identification code given by the software. The node energy consumption data converted into digital signal is packaged according to the collection procedures， and transferred to the control panel. The control panel is used to reconstruct the encapsulated data according to the data reading process to obtain and parse the complete node energy consumption data， and then give out some suggestions about node energy consumption adjustment to realize the monitoring of energy consumption of sensor network nodes. The experimental verification result shows that the designed software has remote monitoring distance， and can prolong the working life of sensor nodes.

Keywords： sensor network； node energy consumption monitoring； software design； data acquisition

0 引 言

近年來，隨著學術界對傳感器網絡研究的逐漸加深，傳感器網絡已被廣泛應用于溫濕度、城市光污染、速度和壓力等方面的探測中，對改善居民生活方式、增強企業效益具有重要作用。在未來，傳感器網絡的應用將會更加廣泛[1?3]。在國家大力提倡節能的當今社會，學術界開始關注到傳感器網絡中的節點能耗問題。在以往設計出的傳感器網絡節點能耗監測軟件中，由于受到傳感器網絡中龐大的節點規模限制，軟件的監測距離較短，并無法有效延長節點工作壽命，高性能的傳感器網絡節點能耗監測軟件仍待開發[4?6]。

1 傳感器網絡中的節點能耗監測軟件設計

1.1 FPGA軟件設計

采集程序利用規格為50 MHz的看門狗計時器為FPGA的采集工作計時，這種計時器能夠為FPGA提供0.02 μs的采集間隔。也就是說，加入50 MHz看門狗計時器的采集程序能夠使FPGA每隔0.02 μs便采集到一個傳感器網絡節點能耗數據。這種采集工作的效率非常高，為了避免效率過高造成的節點能耗數據丟失和亂碼情況，所設計的采集程序將對節點能耗數據進行數據封裝，具體封裝格式于表1中給出。

由表1可知，一個傳感器網絡節點能耗數據的字節共有16位，所設計的采集程序將這16位字節分成4段。封裝時，在每段字節的前面放置2位特定字節、后面放置6位計算字節。當需要提取被封裝后的傳感器網絡節點能耗數據時，應先對其進行逆向字節刪除，再重構4段字節，即可獲取FPGA采集到的、完整的節點能耗數據。

節點能耗識別碼的作用是：保護FPGA采集到的節點能耗數據免受網絡入侵，維持數據的自身完整性和傳輸穩定性，圖1為節點能耗識別碼寫入原理圖。

由圖1可知，傳感器網絡節點能耗監測軟件所提供的節點能耗識別碼包括復位碼、計時碼、A/D碼和輸出控制碼，這些節點能耗識別碼能夠幫助軟件獲取到更遠的監測距離。當FPGA根據采集程序采集到傳感器網絡節點能耗數據，并經由輸出控制碼通過串口輸出后，傳感器網絡節點能耗監測軟件將使用A/D碼對其進行模/數轉換，計時碼在模/數轉換過程中提供計時服務。復位碼為FPGA串口提供初始化服務，通常與軟件的初始化共同進行。

1.2 控制板軟件設計

經由傳感器網絡節點能耗監測軟件控制FPGA后，控制板所接收到的每個節點能耗數據均為4段，這導致控制板在讀取節點能耗數據時，將不可避免地出現4段數據順序錯亂的情況。為此，需要對控制板數據讀取流程進行軟件控制，如圖2所示。

由圖2可知，在表1中，采集程序為節點能耗數據中4段數據的前兩位均賦予了不同的前端字節，依次是03，05，13和15。在控制器讀取流程中，所設計的傳感器網絡節點能耗監測軟件根據前端字節的不同，對節點能耗數據中的4段數據進行排序，進而延長節點工作壽命?？刂破髯x取流程對每個節點能耗數據運行4次循環，以獲取完整的傳感器網絡節點能耗數據。

2 傳感器網絡節點能耗監測的軟件實現

當傳感器網絡節點能耗數據被完整獲取后，控制板將對傳感器網絡節點能耗數據進行解析，給出節點能耗調節建議。所設計的傳感器網絡節點能耗監測軟件將對控制板節點能耗監測工作的功能進行實現，如圖3所示。

由圖3可知，為了實現傳感器網絡的節點能耗監測，軟件給予控制板兩項功能，分別是能耗監測對比功能和通信功能。通信功能使用傳感器網絡接口以及軟件、硬件連接接口，將節點能耗數據輸入到能耗監測對比功能中的傳感器網絡模型。對該模型的不同節點進行對比可獲取對比數據集合1，再將模型與軟件內置的傳感器網絡模型進行相同位置同一節點的能耗對比，可獲取對比數據集合2。

將2個對比數據集合匯總，經由功能軟件接口中的實現代碼進行解析，可獲取最終的節點能耗調節建議，進而實現傳感器網絡節點能耗監測軟件對傳感器網絡節點能耗的有效監測。

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺的搭建

將三種軟件分別安裝在如圖4所示的傳感器網絡節點能耗監測系統上。實驗采取圓形區域監測方式，方便數據記錄。

3.2 監測距離實驗結果分析

監測距離包含監控距離和探測距離。在本文實驗中，監控距離是指能夠采集到傳感器網絡有效數據的軟件延伸半徑，而探測距離則是指能夠對采集到的數據進行有效重構的軟件延伸半徑。實驗中，依次增加圓形監測區域半徑，三種軟件的監控距離和探測距離曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可知，本文軟件監控距離曲線的橫縱坐標數值幾乎一致，證明本文軟件能夠準確采集到傳感器網絡的有效數據，監控距離較遠。而TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監控距離均不如本文軟件。

由圖6可知，TOSSIM軟件和DUTTA軟件的探測距離曲線均存在較大的波動，且數值較低，表明這兩種軟件的探測性能不強，因此檢測距離較近。本文軟件的探測距離曲線則僅存在微小波動，與監控距離相比并無較大的下降。

以上實驗結果能夠驗證，本文軟件具有較遠的監測距離。

4 結 論

在傳感器網絡節點能耗監測系統中，FPGA負責進行傳感器網絡節點能耗數據的持續采集，控制板對節點能耗數據進行解析，給出節點能耗調節建議。本文設計的傳感器網絡節點能耗監測軟件可為FPGA和控制板的工作流程提供優良的軟件控制。實驗對比了本文軟件、TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監測距離和節點工作壽命延長性能。結果表明，本文所設計的軟件監測距離較遠、節點工作壽命延長性能頗佳。

參考文獻

[1] 王改云，胡錦艷.基于BP神經網絡和蟻群的WSN分簇算法的研究[J].現代電子技術，2015，38（17）：45?48.

[2] 張其，袁縱橫，梁丁，等.基于MPU6000的低功耗無線人體傳感器網絡節點設計[J].計算機測量與控制，2014，22（2）：539?541.

[3] 程明月，馬婭婕，趙蕾，等.一種基于空間相關性的WSNs節點睡眠調度算法[J].傳感器與微系統，2015，34（11）：143?146.

[4] 張聚偉，劉亞闖.基于信度勢場算法的水下傳感網絡部署及仿真[J].系統仿真學報，2015，27（5）：1030?1037.

[5] 劉曉文，縱鑫，袁莎莎，等.基于分布式視頻編碼的WMSN節點能耗[J].實驗室研究與探索，2014，33（6）：99?102.

[6] 朱創錄.基于ZigBee網絡的渭南智慧農業平臺關鍵技術研究[J].渭南師范學院學報（綜合版），2014，29（19）：39?43.